AB相编码器电机原理与应用：从信号处理到精准控制

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AB 相编码器通过两路相位差 90°的方波信号（A 相和 B 相）输出位置信息。这种设计允许我们通过检测两路信号的相对相位来判断旋转方向：

A 相领先 B 相 90°时，表示正转
B 相领先 A 相 90°时，表示反转

光电式编码器（如 CUI AMT102）：
– 分辨率高（可达 5000PPR）
– 对污染敏感
– 成本较高

磁电式编码器（如 AS5048A）：
– 抗污染能力强
– 温度稳定性好
– 分辨率通常较低（12 位绝对值输出）

通过同时在 A 相和 B 相的上升沿和下降沿触发计数，可以将原始分辨率提高 4 倍。Z 相（零位信号）每转一圈产生一个脉冲，用于绝对位置校准。

长线传输时容易引入噪声，导致信号边沿抖动。使用普通示波器可以观察到明显的信号振荡：

高速旋转时，如果 MCU 中断响应不够快，可能会错过脉冲。测试数据表明：

STM32H7 在 400MHz 主频下最大跟踪转速约 5000RPM
ESP32 在 240MHz 下仅能稳定跟踪约 2000RPM

推荐使用 RS422 差分传输，典型电路包括：

SN75172 差分驱动器
120Ω 终端电阻
双绞屏蔽电缆

// STM32 HAL 库示例
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
    static uint32_t last_time = 0;
    uint32_t now = HAL_GetTick();

    // 10ms 消抖时间
    if((now - last_time) > 10) {if(GPIO_Pin == ENCODER_A_Pin) {// 处理 A 相跳变}
        last_time = now;
    }
}

// STM32 编码器模式配置
TIM_Encoder_InitTypeDef sConfig = {0};
sConfig.EncoderMode = TIM_ENCODERMODE_TI12;
sConfig.IC1Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
sConfig.IC1Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
sConfig.IC1Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
sConfig.IC1Filter = 6;  // 适当滤波
// 类似配置 IC2...
HAL_TIM_Encoder_Init(&htim3, &sConfig);

// 带抗积分饱和的 PID
typedef struct {
    float Kp, Ki, Kd;
    float integral;
    float prev_error;
    float out_max, out_min;
} PID_Handle;

float PID_Update(PID_Handle *h, float error, float dt) {
    float p_term = h->Kp * error;

    h->integral += error * dt;
    // 抗积分饱和
    if(h->integral > h->out_max) h->integral = h->out_max;
    else if(h->integral < h->out_min) h->integral = h->out_min;

    float d_term = h->Kd * (error - h->prev_error) / dt;
    h->prev_error = error;

    return p_term + h->Ki * h->integral + d_term;
}

避免在中断中进行浮点运算（Cortex-M4/M7 除外）
使用 __attribute__((section(".ramfunc"))) 将关键代码放在 RAM 中执行

波特率	最大线缆长度
1Mbps	10m
500kbps	20m
100kbps	50m

# Python 简化实现
def kalman_filter(z, x_est, p_est, q=0.1, r=0.1):
    # 预测
    x_pred = x_est
    p_pred = p_est + q

    # 更新
    k = p_pred / (p_pred + r)
    x_est = x_pred + k * (z - x_pred)
    p_est = (1 - k) * p_pred

    return x_est, p_est